Диаграммы состояния систем, образующих

Химические соединения

Компоненты системы могут вступать между собой в химическое взаимодействие с образованием новой кристаллической решетки. Такие компоненты имеют различные типы диаграмм для систем с конгруэнтно (рисунок 3.7) или инконгруэнтно (рисунок 3.8) плавящимися соединениями.

В связи с особыми свойствами устойчивого химического соединения, отличающими его и от компонента А, и от компонента В, на диаграмме появляется ордината, соответствующая его составу A_mB_n. На этой ординате имеется сингулярная точка С, соответствующая температуре плавления химического соединения. Ордината делит диаграмму состояния на две части, каждая из которых может представлять собой диаграмму любого типа. В данном случае получаются две диаграммы эвтектического типа.

Рисунок 3.7. Диаграмма фазового равновесия системы с устойчивым (конгруэнтно плавящимся) химическим соединением

Рисунок 3.8. Определение формул двух химических соединений по диаграмме фазового равновесия Cu-Mg

Кристаллизация сплавов в этих участках диаграммы, например, сплава I будет происходить аналогично кристаллизации сплавов в обычной эвтектической системе. При охлаждении сплава из жидкого состояния ниже линии ликвидус начинают выпадать кристаллы химического соединения состава A_mB_n. Состав жидкой фазы изменяется при этом по линии СE₁, за счет чего происходит увеличение количества выделяющихся кристаллов химического соединения.

При достижении температуры эвтектической линии оставшаяся часть жидкости превращается в эвтектику (А+A_mB_n)_э, представляющая собой смесь кристаллов компонента A и химического соединения A_mB_n). Окончательно структуру этого сплава можно представить в виде кристаллов химического соединения и эвтектики (см. рисунок 3.7).

Если на диаграмме состояния с наличием химического соединения концентрацию элементов отложить в атомных процентах, то по диаграмме состояния (рисунок 3.8) можно определить химическую формулу соединения.

Пересчет массовых % в атомные производится по формуле:

атомн.

Обратный пересчет атомных % в массовые производится по формуле:

масс.,

где; A₁; B₁ – атомные веса компонентов A и B; a, b атомные % компонента A и B; a, b – массовые % компонента A и B.

Например, в системе Cu-Mg при 16% и 44% (масс.) Mg пересчет в атомные (33,3% и 66,7%, соответственно) показывает, что для 33,3% (ат) на 1 грамм-атом Mg приходится 2 грамм-атома Cu, следовательно, его формула Cu₂Mg, а для 66,7% (ат) Mg, на 1 грамм-атом меди приходится 2 грамм-атома Mg. Следовательно формула химического соединения Cu Mg₂.

Диаграмма состояния системы с неустойчивым химическим соединением (перитектическое превращение)

Если химическое соединение оказывается неустойчивым при повышении температуры выше определенного уровня, оно распадается с образованием двух фаз: жидкого раствора состава точки D и кристаллов компонента B. В этом случае диаграмма будет представлена в следующем виде (рисунок 3.9).

Процесс превращения в сплаве I будет протекать в следующем порядке. В точке, соответствующей пересечению фигуративной линии сплава с линией ликвидус 1 начинается выделение кристаллов компонента B. Состав жидкой фазы изменяется по линии t_ВD. В точке А количество жидкости равно %, а твердые фазы %. При температуре т. 2 образуется кристаллов B и жидкого состава т. D.

Ниже этой температуры становится устойчивым химическое соединение, в связи с чем, образовавшиеся кристаллы компонента B взаимодействуют по перитектической реакции с жидкостью состава точки D, образуя это соединение A_mB_n.

Рисунок 3.9. Формирование структуры сплавов в системе перитектического типа с инконгруэнтно плавящимся химическим соединением

При этом С = 2 – 3 + 1 = 0, т.е. это превращение протекает при постоянной температуре. Такое превращение при котором взаимодействие жидкой фазы и кристаллов при постоянной температуре приводит к образованию химического соединения, называется перитектическим. Для образования химического соединения состава точки М требуется количественное соотношение твердой и жидкой фаз равное , а в сплаве I имеется , т.е. присутствует избыток кристаллов В. Неиспользованные в процессе перитектического превращения кристаллы сохраняются в структуре сплава при охлаждении ниже линии перитектики. Окончательная структура сплава (см. рисунок 3.9) представляет собой так называемую "структуру окружения", в которой первичные кристаллы В окружены со всех сторон перитектическими кристаллами химического соединения.

В сплаве 2 при достижении точки 1 начинается процесс кристаллизации с выделения тех же кристаллов компонента В.

Понижение температуры приводит к увеличению количества кристаллов В и изменению концентрации жидкой фазы по линии Т_ВD. При температуре т.3 в сплаве наблюдается твердых кристаллов компонента В и жидкой фазы, т.е. имеется большой избыток жидкой фазы. Часть ее, взаимодействующей с кристаллами В образует химическое соединение A_mB_n состава М. Избыток жидкой фазы сохраняется ниже линии перитектики. При этом количество химического соединения определяется отношением , т.е. оно увеличивается с понижением температуры, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии DЕ достигая концентрации точки В при температуре точки 4. Количество ее при температуре точки 4 . Это количество жидкости при этой температуре т. 4 претерпевает эвтектическое превращение, с образованием эвтектической физико-химической смеси (А + A_mB_n)_э.